Wspomaganie obrazowej oceny ryzyka pęknięcia tętniaka aorty brzusznej.
Augmenting the image-based rupture risk assessment of the abdominal aortic aneurysm
Zuzanna Domagała
Rozprawa Doktorska
Instytut Automatyki, Robotyki i Inżynierii Informatycznej Wydział Elektryczny
Politechnika Poznańska
Promotor: dr hab. inż. Paweł Drapikowski
Poznań, Styczeń 2019
1
Streszczenie
Tętniak aorty brzusznej jest jedną z częstszych przyczyn zgonów osób powyżej 65 roku życia. Istotna zatem jest diagnostyka i prawidłowe postępowanie w przypadku wystąpienia tego schorzenia. Leczenie tętniaka oparte jest o inwazyjny zabieg chirurgiczny, który, z uwagi na zaawansowany wiek pacjentów, niesie ze sobą wysokie ryzyko powikłań okołooperacyjnych. W związku z tym, interwencja chirurgiczna jest uzasadniona wtedy, gdy ryzyko śmierci w wyniku pęknięcia naczynia jest wyższe niż prawdopodobieństwo wystąpienia komplikacji okołozabiegowych. Warto zaznaczyć, iż istotna część tętniaków pozostaje stabilna do naturalnej śmierci chorego, a zatem nie ma konieczności przeprowadzania operacji naprawczych u każdego zdiagnozowanego pacjenta. Aktualnie stosowanym kryterium niestabilności tętniaka jest jego maksymalna poprzeczna średnica przekraczająca 5,5 cm. Jednakże liczne obserwacje kliniczne wykazały, że tętniaki o mniejszej średnicy ulegają pęknięciu na tyle często, iż należy szukać innych wskaźników umożliwiających właściwą predykcję zachowania się omawianego, patologicznego naczynia. Sposobem na uwzględnienie osobniczych czynników jak wielkość, kształt czy kompozycja tętniaka jest zastosowanie komputerowej analizy mechanicznej, której celem jest wskazanie miejsca oraz ryzyka pęknięcia tętniaka aorty brzusznej. Podejście to wykorzystuje metodę elementów skończonych, szeroko znaną i stosowaną m.in. w zagadnieniach wytrzymałościowych.
Z uwagi na stosowanie uproszeń względem modelu naczynia oraz statystycznych danych materiałowych problem weryfikacji tak skonstruowanego przedmiotu analizy mechanicznej wciąż pozostaje otwarty.
W rozprawie zaprezentowano metodę walidacji symulacyjnej analizy
wytrzymałościowej tętniaka, bazującą na możliwości zarejestrowania kształtu aorty w
dowolnym momencie cyklu pracy serca za pomocą bramkowanej tomografii
rezonansu magnetycznego (ang. MRI). Prezentowana metoda wykorzystuje geometrię
tętniaka zrekonstruowaną na podstawie obrazowania podczas rozkurczu serca
(minimalne obciążenie aorty) jako dane poddawane analizie oraz skurczu serca
(maksymalne obciążenie aorty) jako informacje referencyjne. Warto podkreślić, iż
aorta zarejestrowana w dowolnym momencie, będzie poddana działaniu ciśnienia
krwi. Z punktu widzenia prawidłowo przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej
2 ważne jest zatem by najpierw doprowadzić model tętniaka do stanu zerowego obciążenia, a następnie, tak przygotowany obiekt, poddać działaniu pełnego (systolicznego) ciśnienia krwi. Ostatecznie, rezultat symulacji porównywany jest z rzeczywistym modelem pozyskanym z obrazowania w fazie skurczu serca.
W efekcie metoda pozwala na ocenę zasadności stosowania numerycznej symulacji do analizy mechanicznej tętniaków aorty oraz na analizę adekwatności przyjętego modelu naczynia, zarówno w kontekście dokładności reprezentacji geometrii naczynia, jak i stosowanego modelu materiałowego.
Rozprawa prezentuje kompletny ciąg przetwarzania i analizy danych pozyskiwanych z MRI:
Półautomatyczną segmentację skanów wykorzystującą model aktywnych konturów
Autorską metodę filtracji segmentowanych konturów i rekonstrukcji 3D tętniaka
Estymację kształtu tętniaka przy zerowym obciążeniu (ang. prestressing)
Numeryczną symulację i analizę jej błędu.
W rozprawie przedstawiono szereg eksperymentów, w których wykorzystano
prezentowaną metodę. Analizie poddano wyniki obrazowania 11 pacjentów ze
zdiagnozowanym tętniakiem aorty brzusznej oraz 7 pacjentów z fizjologiczną aortą. W
obu przypadkach przebadano wpływ złożoności przyjętego modelu materiałowego
(elastyczny izotropowy oraz hiperelastyczny izotropowy i anizotropowy) na
dokładność analizy. W przypadku analizy tętniaków zbadano również wpływ
uwzględnienia w modelu warstwy skrzepliny.
3
Abstract
The abdominal aorta aneurysm (AAA) is one of the most frequent causes of death among people older than 65 years. Therefore, in case of this disease a proper diagnostic is of utmost importance. The therapy of AAA is based on an invasive procedure, which, due to the patients advanced age, involves high risk of post-surgery complications.
Therefore, the surgical procedure is justified if and only if the risk of dying due to the rupture of AAA is higher than the probability of post-surgery complications. It is worth noting, that a large number of AAAs remains stable until the natural death of the patient, thus it is not necessary to perform a repair surgery on every patient diagnosed with AAA. The currently used criterion for assessing the stability of an AAA is its maximal transverse diameter exceeding 5.5 cm. However, numerous clinical observations showed, that AAAs with a smaller diameter rupture frequent enough to justify search for other methods capable of predicting the behavior pathological vessel.
One potential method of achieving that, while taking into account individual patient’s characteristics such as the size, shape or composition of the AAA, is the numerical mechanical analysis. This approach is based on the Finite Elements Analysis (widely used in mechanical applications) to predict the spot and risk of an AAA’s rupture. Due to the necessary simplifications of the AAA’s model and the statistical character of the material properties used the verification of such an approach remains an open problem.
The thesis presents a validation method of the simulation-based mechanical analysis of
AAA based on the ability to register the shape of the aorta at any moment of the
cardiac cycle by using gated Magnetic Resonance Imaging. The proposed method uses
the geometry of the aneurysm estimated according to images registered during the
diastolic phase (minimum blood pressure). This geometry is then subject to the
numerical simulation and the results of this simulation are compared with the
geometry reconstructed from images registered during the systolic phase (maximum
blood pressure) as reference. It is worth noting that an artery registered at any given
moment is affected by a blood pressure. From the perspective of a properly conducted
mechanical simulation it is thus important to first bring the model to the zero-pressure
state, and then to subject such a prepared object to the full systolic blood pressure.
4 Finally, the resulting geometry is compared with a real model based on the date registered with gated MRI during the contraction phase of the cardiac cycle.
As a result, the method allows for assessing the reasonability of using numerical simulations for mechanical analysis of aortas and AAAs behavior as well as for assessing the adequacy of the assumed vessel model, both in terms of the geometric reconstruction and the representation of materials used.
The thesis presents a complete pipeline for processing and analyzing data registered with MRI:
Semi-automatic segmentation of the individual scans based on the Active Contour method
A newly proposed method for filtration of the segmented contours and 3D reconstruction of the AAA
Estimation of the AAA’s geometry under zero-pressure (pre-stressing)
Numerical simulation and analysis of its residual error.
A number of experiments have been presented in the thesis. Results of imaging
examination of 11 patients with diagnosed AAA and 7 patients having a physiological
aorta have been processed and analysed. In both cases, the influence of the complexity
of the material model (elastic, hyperelastic - both isotropic and anisotropic) on the
accuracy of the analysis has been assessed. In the case of AAAs the influence of
including the intraluminar thrombus layer (ILT) in the model has been evaluated as
well.
5
Podziękowania
Wiele osób dzięki swojej wiedzy, umiejętnościom, cierpliwości i trosce przyczyniło się do powstania niniejszej rozprawy. Chciałabym wyrazić swoją najgłębszą wdzięczność i podziękować w szczególności tym, którzy mieli na mnie w tym czasie największy wpływ.
Przede wszystkim pragnę podziękować mojemu promotorowi, doktorowi Pawłowi Drapikowskiemu za celne wskazówki i uwagi, cierpliwość i nieocenioną pomoc, bez których realizacja tej pracy nie byłaby możliwa.
Jestem bardzo wdzięczna profesorowi Andrzejowi Kasińskiemu, który otoczył mnie swoją mentorską opieką zwłaszcza w początkowym stadium mojego doktoratu.
Szczególne podziękowania kieruję do moich rodziców nie tylko za ich nieustające wsparcie i wiarę, ale także za merytoryczną pomoc w zakresie medycznych aspektów pracy.
Ponadto, dziękuję mojemu bratu i przyjaciołom za motywację i wsparcie w momentach największego zwątpienia. Jesteście najlepsi!
Specjalne podziękowania należą się zespołowi z ramienia Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu tj. profesorowi Grzegorzowi Oszkinisowi, profesor Małgorzacie Pydzie oraz doktorowi Hubertowi Stępakowi za intensywną i owocną współpracę w zakresie akwizycji i interpretacji danych.
Zuzanna Domagała
Poznań, Styczeń 2019
6
Spis treści
1. Wstęp ... 11
1.1. Motywacja do podjęcia badań ... 11
1.2. Cel i zakres pracy ... 12
2. Medyczne i techniczne podstawy pracy ... 15
2.1. Aorta brzuszna oraz jej tętniak ... 15
2.1.1. Aorta brzuszna ... 15
2.1.2. Właściwości mechaniczne aorty brzusznej ... 17
2.1.3. Tętniak aorty brzusznej ... 18
2.1.4. Właściwości mechaniczne tętniaka aorty brzusznej ... 22
2.2. Techniki obrazowania medycznego ... 23
2.2.1. Ultrasonografia ... 23
2.2.2. Tomografia komputerowa ... 24
2.2.3. Rezonans magnetyczny ... 27
2.3. Metody segmentacji tętniaka aorty brzusznej ... 31
2.4. Metoda elementów skończonych ... 35
3. Komputerowa analiza wytrzymałościowa tętniaka aorty brzusznej ... 46
3.1. Modele ściany aorty brzusznej ... 46
3.2. Modele ściany tętniaka aorty brzusznej ... 50
3.3. Modele skrzepliny przyściennej ... 52
3.4. Modele zwapnień ... 54
3.5. Wymuszenia ... 56
4. Materiały i metody ... 58
4.1. Metoda weryfikacji modelu ... 58
4.2. Dane eksperymentalne ... 60
4.2.1. Akwizycja danych ... 60
4.2.2. Dane statystyczne pacjentów ... 61
4.2.3. Zastosowane modele ... 62
4.3. Rekonstrukcja 3D ... 64
4.3.1. Procedura rekonstrukcji ... 64
4.3.2. Półautomatyczna segmentacja konturów... 65
4.3.3. Filtracja konturów ... 67
4.3.4. Interpolacja warstw ... 72
7
4.3.5. Wydłużanie modelu ... 73
4.3.6. Próbkowanie konturów i triangulacja ... 75
4.4. Modele MES i analiza ... 78
4.5. Wyznaczanie naprężenia początkowego ... 79
4.6. Porównanie geometrii ... 80
5. Wyniki ... 82
5.1. Modele aort... 82
5.1.1. Modele elastyczne ... 86
5.1.2. Modele hiperelastyczne ... 86
5.1.3. Porównanie modeli elastycznych i hiperelastycznych ... 88
5.1.4. Porównanie modeli ... 89
5.1.5. Weryfikacja modeli ... 90
5.2. Modele tętniaków ... 92
5.2.1. Modele elastyczne ... 96
5.2.2. Modele hiperelastyczne izotropowe ... 96
5.2.3. Modele hiperelastyczne anizotropowe ... 97
5.2.4. Porównanie modeli ... 100
5.2.5. Weryfikacja modeli ... 101
6. Dyskusja i wnioski ... 103
Literatura ... 106
8
Spis rysunków
Rysunek 1. Schemat budowy ściany aorty . ... 16
Rysunek 2. Schemat budowy aorty ... 17
Rysunek 3.Typy tętniaków aorty brzusznej ... 19
Rysunek 4. Pomiar przepływu krwi w badaniu USG-dopplerowskim ... 24
Rysunek 5. Przykład obrazowania tętniaka aorty brzusznej za pomocą AngioCT ... 27
Rysunek 6. Obraz T1-zależny i obraz T2-zależny mózgu ... 28
Rysunek 7. Przykład obrazowania tętniaka aorty brzusznej za pomocą MRA ... 30
Rysunek 8. Schemat ideowy MES ... 36
Rysunek 9. Podstawowe kształty elementów skończonych pierwszego rzędu ... 38
Rysunek 10. Przykładowe elementu skończone drugiego rzędu ... 38
Rysunek 11. Element skończony 2D pierwszego rzędu o trzech węzłach ... 40
Rysunek 12. Element skończony 2D drugiego rzędu o sześciu węzłach ... 42
Rysunek 13. Podobieństwo światła naczynia i zwapnienia na obrazach KT ... 55
Rysunek 14. Schemat procedury weryfikacji założeń modelowania aorty lub jej tętniaka ... 59
Rysunek 15. Oprogramowanie wykorzystane do segmentacji konturów z obrazów DICOM 66 Rysunek 16. Przykładowy rezultat segmentacji zewnętrznej krawędzi tętniaka. ... 66
Rysunek 17. Przykład krzywych sklejanych opisujących wewnętrzną krawędź aorty ... 68
Rysunek 18. Nałożone na siebie maski binarne fizjologicznej aorty: ... 68
Rysunek 19. Przykład krzywych sklejanych opisujących zewnętrzną krawędź tętniaka ... 69
Rysunek 20. Nałożone na siebie maski binarne ściany tętniaka ... 69
Rysunek 21. Wewnętrzna i zewnętrzna krawędź tętniaka wraz z punktami węzłowymi. ... 71
Rysunek 22. Obrazy binarne odpowiadające poszczególnym warstwom tętniaka ... 71
Rysunek 23. Kontury wewnętrzne aorty ... 73
Rysunek 24. Sztucznie wydłużony model zewnętrznej powierzchni tętniaka ... 74
Rysunek 25. Przykładowe kontury zewnętrznej krawędzi tętniaka spróbkowane co 2 mm .... 75
Rysunek 26. Procedura wyznaczania siatki trójkątnej dla dwóch sąsiednich konturów... 77
Rysunek 27. Przykładowa siatka trójkątna opisująca zewnętrzną powierzchnię tętniaka ... 77
Rysunek 28.Obrazy binarne wykorzystywane do wyznaczania błędu geometrii w poszczególnych warstwach ... 81
Rysunek 29. Jednowarstwowe modele aort wykorzystane w badaniach. ... 82
Rysunek 30. Błąd DSAM w poszczególnych przekrojach modelu aorty pacjenta 3. ... 84
Rysunek 31. Błąd DSAM w poszczególnych przekrojach modelu aorty pacjenta 6. ... 85
Rysunek 32. Porównanie błędu modelowania aort dla materiału elastycznego ... 86
Rysunek 33. Porównanie błędu modelowania aort dla materiałów hiperelastycznych ... 88
Rysunek 34. Porównanie błędu modelowania aort dla materiałów elastycznych i hiperelastycznych ... 88
Rysunek 35. Błąd analizy dla zmodyfikowanych modeli aorty ... 91
Rysunek 36. Jednowarstwowe modele tętniaków wykorzystane w badaniach ... 92
Rysunek 37. Błąd DSAM w poszczególnych przekrojach modelu tętniaka pacjenta 6 ... 94
9
Rysunek 38. Błąd DSAM w poszczególnych przekrojach modelu tętniaka pacjenta 11 ... 95
Rysunek 39. Porównanie błędu modelowania tętniaków dla materiałów elastycznych ... 96
Rysunek 40. Porównanie błędu modelowania tętniaków dla materiałów hiperelastycznych izotropowych ... 97
Rysunek 41. Porównanie błędu modelowania tętniaków dla materiałów hiperelastycznych anizotropowych ... 98
Rysunek 42. Błąd DSAM w poszczególnych przekrojach modelu tętniaka pacjenta 4 ... 99
Rysunek 43. Porównanie materiałów modeli tętniaków jednowarstowych ... 100
Rysunek 44. Błąd analizy dla zmodyfikowanych modeli tętniaka ... 102
10
Spis tabel
Tabela 1. Eksperymentalne grubości ścian aorty oraz stosunek grubości poszczególnych
jej warstw ... 47
Tabela 2. Parametry mechaniczne dla homogenicznej ściany aorty brzusznej ... 48
Tabela 3. Parametry mechaniczne dla 3-warstwowej ściany aorty brzusznej ... 48
Tabela 4. Eksperymentalne pomiary grubości ściany tętniaka ... 50
Tabela 5. Najczęściej przyjmowane wartości grubości ściany tętniaka w analizie MES . 51 Tabela 6. Parametry mechaniczne ściany tętniaka aorty brzusznej ... 52
Tabela 7. Parametry mechaniczne skrzepliny przyściennej ... 53
Tabela 8. Parametry mechaniczne zwapnień ... 55
Tabela 9. Najczęściej przyjmowane wartości wymuszeń ... 57
Tabela 10. Dane statystyczne pacjentów oraz ich fizjologicznych aort ... 61
Tabela 11. Dane statystyczne pacjentów oraz ich tętniaków aorty brzusznej ...62
Tabela 12. Zestawienie modeli wykorzystanych w analizach aorty ... 63
Tabela 13. Zestawienie modeli wykorzystanych do analizy tętniaków aorty brzusznej . 63 Tabela 14. Etapy rekonstrukcji modelu 3D ... 64
Tabela 15. Średni błąd analizy aorty dla wszystkich pacjentów i stosowanych modeli .. 83
Tabela 16. Ranking modeli aorty dla poszczególnych pacjentów ... 89
Tabela 17. Zestawienie zmodyfikowanych wartości parametrów materiałowych i geometrycznych dla aorty ... 90
Tabela 18. Średni błąd analizy tętniaków dla wszystkich pacjentów i stosowanych modeli ... 93
Tabela 19. Ranking modeli tętniaka dla poszczególnych pacjentów ... 100
Tabela 20. Zestawienie zmodyfikowanych wartości parametrów materiałowych i
geometrycznych dla tętniaków ... 101
11
1. Wstęp
1.1. Motywacja do podjęcia badań
Tętniak aorty brzusznej, definiowany jako stałe poszerzanie się średnicy aorty, jest jednym z częściej występujących schorzeń naczyniowych u osób powyżej 65 r.ż. [1].
Choroba zazwyczaj przebiega bezobjawowo, tj. nie towarzyszą jej dolegliwości bólowe lub inne, mogące skłonić pacjenta do podjęcia badań diagnostycznych [2]. Jako że jest to stan patologiczny obejmujący największe naczynie krwionośne w organizmie ludzkim, przerwanie jego ciągłości prowadzi do poważnego krwotoku wewnętrznego, a w konsekwencji do zejścia śmiertelnego pacjenta. Jedyną metodą leczenia tętniaka jest postępowanie chirurgiczne, mające na celu wzmocnienie ściany naczynia poprzez wszczepienie stent-graftu wewnątrznaczyniowego oraz usunięcie nadmiaru ściany aorty. Ze względu na zaawansowany wiek chorych interwencję chirurgiczną przeprowadza się, gdy ryzyko śmierci w wyniku pęknięcia tętniaka przewyższa prawdopodobieństwo wystąpienia okołooperacyjnych komplikacji zagrażających życiu.
Aktualnie stosowane kryterium kwalifikacji pacjenta do operacji bazuje na
maksymalnej poprzecznej średnicy naczynia przekraczającej 55mm [3]. Z obserwacji
klinicznych [4][5][6] wynika jednak, że 10-25% tętniaków o mniejszej średnicy również
ulega rozerwaniu. Dodatkowym kryterium jest szybkość rozrostu naczynia większa niż
3mm rocznie [7]. Jednak badanie tego aspektu choroby jest możliwe jedynie w
przypadku pacjentów, u których tętniaka wykryto we wczesnym jego stadium i
prowadzono coroczne kontrole radiologiczne. W większości przypadków patologia
aorty brzusznej jest diagnozowana przy okazji badania USG w kierunku innych
dolegliwości, a w związku z tym zaobserwowany tętniak często jest już znacznie
rozwinięty. Ze względu na niedostateczną wiarygodność dotąd stosowanych kryteriów
ewaluacji tętniaka aorty brzusznej poszukiwane są nowe metody oceny ryzyka
pęknięcia tego naczynia. Uwzględnienie zindywidualizowanych, biomechanicznych
danych pacjenta może stanowić kluczowy element rzetelnej diagnostyki
dyskutowanego schorzenia. Symulacja komputerowa z wykorzystaniem metody
elementów skończonych jest dobrze poznanym inżynierskim narzędziem stosowanym
do oceny wytrzymałości mechanicznej budynków, mostów, samolotów, silników
spalinowych, łożysk itp. Metoda ta bierze pod uwagę zarówno właściwości
12 geometryczne, jak i parametry mechaniczne rozpatrywanych obiektów, a następnie bada ich zachowanie w zadanych warunkach pracy. Wyżej wspomniane podejście symulacyjne stanowi wiarygodne źródło informacji o funkcjonowaniu wytworów rąk ludzkich, zatem zasadnym wydaje się zastosowanie tej samej metodyki w odniesieniu do struktur biologicznych. Symulacyjna analiza wytrzymałościowa tętniaka aorty brzusznej przy użyciu metody elementów skończonych stanowi prężnie rozwijany kierunek diagnostyki lekarskiej. Należy jednak zwrócić uwagę na ograniczenia tego podejścia wynikające z m.in. uproszczeń numerycznych, statystycznych danych materiałowych i niedokładności akwizycji danych. Z przyczyn obiektywnych brak jest również eksperymentalnej weryfikacji wiarygodności wyników. Niemniej ocena stabilności tętniaka na podstawie indywidualnych cech pacjenta jest obiecująca i być może stanowić będzie nieodzowny element diagnostyki medycznej w praktyce szpitalnej.
1.2. Cel i zakres pracy
Celem pracy było opracowanie metodologii przetwarzania danych obrazowych aorty brzusznej i jej tętniaka uzyskanych podczas obrazowania MRI w celu wspomożenia zindywidualizowanej diagnostyki pacjentów. W ramach rozprawy przedstawiono sformalizowaną procedurę oceny poprawności przyjętych modeli aorty i tętniaka.
Procedura ta bazuje na wykorzystaniu bramkowanego obrazowanie MRI i obejmuje kolejne etapy, począwszy od rejestracji obrazów, poprzez ich segmentację, rekonstrukcję 3D analizowanych obiektów, po symulację numeryczną i porównanie jej rezultatów z rzeczywistymi danymi pochodzącymi od pacjentów. W związku z tym, główna teza pracy brzmi:
Wykorzystanie bramkowanego obrazowania MRI, metod przetwarzania obrazu
oraz symulacji numerycznych pozwala na weryfikację dokładności założeń
modelowania aorty brzusznej lub jej tętniaka, a tym samym wspomaga
zindywidualizowaną, nieinwazyjną diagnostykę.
13 Cele pomocnicze pracy obejmowały:
1. Opracowanie strumienia przetwarzania danych od momentu rejestracji obrazów MRI aorty lub tętniaka, poprzez rekonstrukcję 3D, po porównanie wyników analizy numerycznej z geometrią referencyjną.
2. Opracowanie i implementacja metod rekonstrukcji 3D modelu aorty i jej tętniaka na podstawie obrazów MRI.
3. Eksperymentalna analiza istniejących modeli geometrycznych i materiałowych wykorzystywanych do symulacji zachowania aorty brzusznej i jej tętniaka.
Struktura pracy
Rozdział drugi stanowi wprowadzenie do medycznych oraz technicznych treści zawartych w pracy. Przybliżona została budowa przedmiotu badań tj. aorty ze szczególnym uwzględnieniem jej odcinka brzusznego, a także patologia tego naczynia, jaką jest tętniak. Następnie omówione zostaną metody akwizycji danych stosowane rutynowo oraz dodatkowo w diagnostyce obrazowej schorzeń tętnicy głównej tj.
ultrasonografia, tomografia komputerowa i tomografia rezonansu magnetycznego.
Ostatnia technika była wykorzystana w części badawczej jako źródło danych obrazowych. Tomogramy podlegały segmentacji, a następnie rekonstrukcji przestrzennej, calem stworzenia trójwymiarowych modeli tętniaka aorty brzusznej.
Metody przetwarzania obrazów opisano w rozdziale 2.3. Kolejnym krokiem w modelowaniu tętniaka jest jego analiza wytrzymałościowa z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Główna idea tej metody została przedstawiona w ostatniej części tego rozdziału.
W rozdziale trzecim przeprowadzono przegląd literatury w zakresie mechanicznego
modelowania tętniaka aorty brzusznej. Główne różnice w przetwarzaniu
numerycznym dotyczą kompozycji modelu, jego wartości materiałowych oraz sposobu
implementacji obciążenia tętniaka. Parametry te mają zasadniczy wpływ na wyniki
symulacyjnej analizy wytrzymałościowej, toteż istotny jest ich właściwy dobór. Efekt
oddziaływania wyżej wspomnianych własności na wiarygodność symulacji
komputerowej był przedmiotem przeprowadzonych badań.
14 W rozdziale czwartym szczegółowo opisane zostały materiały i metody wykorzystane w badaniach. Zamieszczono zatem dane statystyczne fizjologicznych i patologicznych aort brzusznych, które podlegały dalszemu przetwarzaniu, informacje o sposobie i parametrach akwizycji danych obrazowych, założeniach wdrożonego modelowania trójwymiarowego i parametrach przeprowadzonych symulacji komputerowych oraz o metodzie weryfikacji wyników obliczeń numerycznych.
Rozdział piąty stanowi prezentację uzyskanych rezultatów w zakresie analiz porównawczych poszczególnych sposobów modelowania tętniaka aorty brzusznej oraz komentarz do nich.
Wnioski z przeprowadzonych badań zostały zamieszczone w ostatnim rozdziale niniejszej pracy.
15
2. Medyczne i techniczne podstawy pracy 2.1. Aorta brzuszna oraz jej tętniak
2.1.1 . Aorta brzuszna
Celem pełnego zrozumienia patofizjologii tętniaka aorty brzusznej należy poznać prawidłową budowę anatomiczną tego naczynia krwionośnego.
Aorta (łac. aorta), czyli tętnica główna, jest największym naczyniem krwionośnym doprowadzającym krew utlenowaną do ustroju. Ze względu na znaczne oraz zmienne ciśnienie przenoszonej krwi należy do tętnic typu sprężystego, w których błonie środkowej ściany przeważają włókna elastyczne. Taka budowa ściany naczynia nadaje mu bierną elastyczność i umożliwia rozszerzanie się oraz powrót do właściwego kształtu. Przekrój ściany wszystkich tętnic, w tym aorty, składa się z [8]:
Błony wewnętrznej (łac. tunica intima) – tworzą ją płaskie komórki nabłonkowe leżące na błonie łącznotkankowej podnabłonkowej. Powierzchnia zewnętrzna nabłonka jest gładka, by zapobiec odkładaniu się skrzeplin przyściennych bądź blaszek miażdżycowych.
Błony środkowej (łac. tunica media) – zawiera mięśnie gładkie oraz włókna elastynowe. Jest to warstwa umożliwiająca zmianę kształtu naczynia.
Błony zewnętrznej (łac. tunika externa, tunica adventitia) – składa się głównie z
włókien kolagenowych ułożonych w taki sposób, by zapewnić rozciąganie
naczynia w kierunku podłużnym i przeciwdziałać nadmiernemu rozciąganiu w
kierunku poprzecznym.
16
Rysunek 1. Schemat budowy ściany aorty [9].
Aorta rozpoczyna się w lewej komorze serca, a kończy rozwidleniem na dwie tętnice biodrowe wspólne. Podzielić ją można na następujące odcinki [10]:
aorta wstępująca (łac. aorta ascendens),
łuk aorty (łac. arcus aortae),
aorta zstępująca (łac. aorta descendens):
aorta piersiowa (łac. aorta thoracica),
aorta brzuszna (łac. aorta abdominalis).
Aorta brzuszna, stanowiąca ostatni odcinek tętnicy głównej, biegnie od rozworu aortowego przepony do dolnej części czwartego kręgu lędźwiowego, gdzie przechodzi w tętnice biodrowe wspólne (łac. arteria iliaca communis). Na tym odcinku znajdują się odejścia wielkich gałęzi tj. tętnice nerkowe (łac. arteia renalis), pień trzewny (łac.
truncus coeliacus) i tętnice krezkowe (łac. arteria mesenterica). Średnica prawidłowej
aorty wynosi do 20mm w górnym odcinku i do 17mm u dołu [10].
17
Rysunek 2. Schemat budowy aorty [11].
Naczynie to przylega od strony tylnej do trzonów kręgów lędźwiowych i odpowiednich krążków międzykręgowych poprzez więzadło podłużne przednie, od strony przedniej do trzonu trzustki, dolnej części dwunastnicy, żyły śledzionowej, nasady krezki jelita cienkiego i żyły nerkowej lewej. Po prawej stronie aorty brzusznej znajduje się żyła główna dolna oraz prawa odnoga przepony, natomiast lewą stroną graniczy z lewą odnogą przepony [8][10].
2.1.2. Właściwości mechaniczne aorty brzusznej
Wcześniej wspomniano, iż aorta należy do tętnic sprężystych, czyli takich, których
unikalną cechą jest możliwość gromadzenie energii kinetycznej krwi wyrzuconej przez
serce. Następnie, energia ta jest uwalniana w czasie biernego skurczu naczynia, dzięki
dużej zawartości włókien elastycznych, co pozwala na przesunięcie płynu do dalszych
odcinków układu krwionośnego. Tętnice sprężyste stanowią niejako przedłużenie
pompującej funkcji serca, ściśle sprzężone z cyklem jego pracy. Mniejsze tętnice,
położone nie w bezpośrednim sąsiedztwie serca, zalicza się do typu mięśniowego,
który ze względu na znaczną aktywną kurczliwość ściany, dzięki zwiększonej
obecności mięśni gładkich, odpowiada za regulację perfuzji krwi w poszczególnych
18 fragmentach ciała. Przytoczony podział tętnic [8][12] wynika z ich adaptacyjnej budowy do pełnionej przezeń funkcji i jest związany z ilościową zawartością włókien sprężystych oraz mięśniówki w środkowej warstwie ściany naczynia. Należy tutaj zauważyć, iż pełnowartościowa elastyna, kluczowa dla prawidłowego funkcjonowania aorty, jest w niej syntetyzowana jedynie na etapie wczesnego dzieciństwa [13], a jej okres połowicznego rozpadu wynosi 70 lat [14]. Można zatem przyjąć, iż funkcjonowanie tętnicy głównej u osób starszych jest nie w pełni wydolne.
Dodatkowo, część brzuszna aorty posiada dwie istotne odnogi w postaci tętnic nerkowych. Zmniejszają one objętość krwi w tętnicy głównej poniżej swojego odejścia o 19% [12]. W związku z tym średnica oraz grubość ściany w tej części ulegają zmniejszeniu. Konsekwencją zmniejszonej objętości krwi przepływającej przez odcinek brzuszny aorty jest zmiana w kompozycji, a zatem i właściwościach mechanicznych ściany tego fragmentu naczynia. Komórki mięśni gładkich wraz z włóknami elastycznymi tworzą kompozytowe zespoły - tzw. elastyczne blaszki lub jednostki lamelarne. Ich rolą jest przeciwdziałanie naprężeniom wywoływanym przez napływającą krew. Liczebność elastycznych blaszek zależy od rozpatrywanego odcinka aorty, i tak, w odcinku piersiowym przeciętnie znajduje się ok. 60 jednostek lameralnych, natomiast aorta brzuszna zasobna jest już tylko w 28 blaszek [15].
Ostatecznie można zauważyć, iż aorta brzuszna w obszarze pomiędzy odejściami tętnic nerkowych a rozwidleniem na tętnice biodrowe charakteryzuje się relatywnie małymi rozmiarami, oraz zawartością elastyny i komórek mięśniowych. Powyższe uwagi uzasadniają obserwacje kliniczne, które wykazują, iż przeważająca liczba tętniaków aorty znajduje się w jej podnerkowym odcinku.
2.1.3. Tętniak aorty brzusznej
Tętniak aorty (łac. aneurysma aortae) jest to trwałe poszerzenie średnicy naczynia o co najmniej 50% w stosunku do prawidłowo zbudowanej tętnicy głównej. W przypadku odcinka brzusznego o tętniaku mówi się, gdy jego średnica przekroczy 30 mm [16].
Podział tętniaków aorty brzusznej [17]:
ze względu na kształt
19
workowate – widoczne jest znaczne wybrzuszenie z jednej strony ściany aorty; zwykle występują w okolicy tętnicy podobojczykowej lub łuku aorty,
wrzecionowate – odcinek aorty w całym swym przekroju poprzecznym ulega poszerzeniu; najczęstsze w przypadku aorty brzusznej,
ze względu na budowę ściany naczynia
prawdziwe – poszerzenie średnicy światła naczynia,
rzekome – dochodzi do rozwarstwienia ściany naczynia; występują w następstwie urazów mechanicznych,
ze względu na obraz kliniczny
bezobjawowe – brak dolegliwości związanych z chorobą; wykrywane podczas rutynowych badań,
objawowe – towarzyszy im ból w okolicy lędźwiowo-krzyżowej oraz charakterystyczne tętnienie, wyczuwalne przez powłoki ciała,
pęknięte – występuje krwawienie do jam ciała.
Rysunek 3.Typy tętniaków aorty brzusznej: po lewej typ workowaty, po prawej typ wrzecionowaty [18].
Do głównych czynników ryzyka wystąpienia omawianego schorzenia należą [19][20]:
Wiek powyżej 65 r.ż.,
Płeć – czterokrotnie częstsze występowanie u mężczyzn niż u kobiet [21],
Występowanie rodzinne,
20
Palenie tytoniu – powoduje przyspieszenie procesów degeneracyjnych elastyny w ścianie aorty, 5-krotnie zwiększa ryzyko zachorowalności [17],
Hiperlipidemia – sprzyja osadzaniu się na ścianach naczynia blaszki miażdżycowej, zwężającej światło naczynia a tym samym podnoszącej lokalne ciśnienie wywierane na ściany naczynia,
Nadciśnienie tętnicze,
Nadwaga.
Ponadto tętniak aorty brzusznej występuje w przebiegu takich jednostek chorobowych jak zespół Marfana, zespół Ehlersa i Danlosa, choroba Takayasu oraz kiła sercowo- naczyniowa [17].
Istniejąca cukrzyca wykazuje natomiast działanie prewencyjne w stosunku do tętniaka.
Wynika to z pogrubienia ścian tętnicy głównej a tym samym obniżenia występujących w nich naprężeń [19][22]. Zaobserwowano również, że rasy: czarna i azjatycka są mniej podatne na tę dolegliwość [19][20].
Na histopatologiczny obraz ściany tętniak aorty brzusznej składają się [23]:
degeneracja włókien kolagenowych i elastynowych,
zmniejszenie liczby komórek mięśni gładkich,
nacieczenie ściany naczynia limfocytami i makrofagami różnego typu,
neowaskularyzacja.
Patogeneza tego schorzenia na poziomie komórkowym obejmuje takie czynniki jak [24]:
proteolityczna degeneracja tkanki łącznej ściany aorty – tkanka łączna, na którą składają się głównie włókna elastyczne i kolagenowe, ulega częściowemu zniszczeniu wskutek działania enzymów proteolitycznych rozkładających wiązania między cząstkami włókien. Mechanizm wyzwalający powstanie tych enzymów nie jest dotąd w pełni znany. Zmniejszenie ilości elastyny jest głównym czynnikiem aktywizującym formowanie się tętniaka, wskutek niedostatecznej odporności naczynia na ciśnienie krwi działające na ściany i w związku z tym niemożności powrotu tętnicy do jej pierwotnego kształtu.
[25][26];
21
stan zapalny i odpowiedź immunologiczna w obrębie ściany aorty – badacze [27] zwracają uwagę na częstą obecność w ścianie tętniaka bakterii Chlamydia pneumoniae, która może być przyczyną powstania lokalnego stanu zapalnego.
Procesy toczące się w przebiegu stanu zapalnego mają charakter uszkadzający tkanki własnego organizmu. Ponadto przypuszcza się, iż rozpadająca się elastyna może powodować odpowiedź immunologiczną w ścianie naczynia tj.
nieprawidłowe rozpoznawanie i niszczenie komórek własnego organizmu;
biomechanika ściany aorty – częste umiejscowienie tętniaka w obrębie odcinka brzusznego może wynikać z budowy anatomicznej ściany naczynia, a dokładniej ze stosunku ilości elastyny do kolagenu. Poniżej przepony ilość elastyny w naczyniu znacząco spada, co może prowadzić do zmęczeniowego rozszerzania się ścian aorty;
genetyka molekularna – kliniczne badania wykazały, iż osoby o typie krwi Rh- rzadziej zapadają na tętniaka aorty brzusznej niż osoby o typie krwi Rh+.
Dodatkowo obserwuje się rodzinną predyspozycję do zachorowalności na tę jednostkę chorobową. Przytoczone uwagi przemawiają za genetycznym uwarunkowaniem wystąpienia tętniaka aorty brzusznej, mimo że dotąd nie wyodrębniono żadnej konfiguracji genów, która byłaby za ten stan odpowiedzialna.
W powstałym tętniaku aorty brzusznej obserwuje się lokalne zastoje krwi oraz jej nieprawidłową lokalną cyrkulację – refluks. Zjawiska te sprzyjają odkładaniu się na ścianach heterogenicznego materiału w postaci skrzepliny przyściennej (ang.
intraluminal thrombus, ILT) [28]. Skrzeplina ta stanowi plątaninę fibryn, komórek i płytek krwi, białek i jest wykrywana w 75% przypadków tętniaków [29].
W ścianie tętniaka aorty znaleźć można także zwapnienia, które są w istocie
depozytami różnego typu struktur bogatych głównie w wapń, fosfor, magnez, sód,
chlor, potas i siarkę [30][31]. Nie jest wiadome czy zwapnienia powstają w istniejącym
już tętniaku, czy ich obecność sprzyja rozrostowi naczynia.
22 2.1.4. Właściwości mechaniczne tętniaka aorty brzusznej
Ze względu na proces chorobowy obejmujący ścianę tętniaka, jej własności mechaniczne ulegają zmianie. Istotnym parametrem jest grubość ściany naczynia, która w sposób bezpośredni warunkuje odporność tętniaka na pękanie. Wykazano, że tylna oraz prawa strona naczynia cechują się mniejszą grubością w stosunku do reszty tętniaka [32]. Cukrzyca powoduje pogrubienie ścian, natomiast przewlekłe choroby nerek ich ścieńczenie [33]. Wytrzymałość mechaniczna naczynia jest także uzależniona od występowania oraz ilościowej dystrybucji skrzepliny przyściennej oraz zwapnień.
Wpływ skrzepliny przyściennej na właściwości mechaniczne ściany tętniaka aorty brzusznej nie jest do końca jasny. Część badaczy [28][34][35][36][37] sugerowała ochronne działanie ILT na ścianę naczynia, poprzez lokalne zwiększenie grubości ściany i tym samym zwiększenie jej mechanicznej odporności na zmienne ciśnienie krwi. Inne prace naukowe [38][39][40] dowodziły z kolei, iż skrzeplina powoduje miejscowe niedotlenienie komórek aorty, przez co cała ściana ulega ścieńczeniu i degeneracji. To biochemiczne podejście jest oparte na obserwacjach histopatologicznych. Mikrozmiany w obrębie ściany naczynia obejmują: stan zapalny i neowaskularyzację [41], pobudzanie wytwarzania proteaz [31][42] – zwłaszcza wzrost wytwarzania elastazy [43], zmniejszenie produkcji kolagenu [44][45][46] i formowanie wadliwych cząstek kolagenu [45]. Z obserwacji klinicznych wynika, iż szybki rozrost skrzepliny przyściennej jest skorelowany ze zwiększonym prawdopodobieństwem pęknięcia tętniaka aorty brzusznej [47]. Przytoczone obserwacje zdają się potwierdzać negatywny wpływ ILT na wytrzymałość naczynia. Ostatecznie, dużą popularność zyskała koncepcja jakoby wpływ ILT na ścianę tętniaka był uzależniony od grubości skrzepliny. W miejscach, gdzie skrzeplina ma grubość <10mm z większą intensywnością zachodzą procesy prowadzące do hydrolizy wiązań peptydowych włókien elastynowych niż w przypadku stref objętych ILT o grubości >25mm. W związku z tym zakłada się większą podatność na przerwanie ciągłości ściany naczynia w rejonach pokrytych cienkim ILT [48][49].
Zwapnienia stanowią drugi typ zmian patologicznych występujących w tętniaku aorty
brzusznej. Wykazują się one dużą sztywnością, wynikającą z wysycenia tkanki solami
mineralnymi. Skutkuje to lokalnie obniżoną odpornością na pękanie w dynamicznym
23 środowisku. Tym samym zwapnienia mogą stanowić miejsca o zwiększonym ryzyku przerwania ciągłości naczynia [50][51]. Z drugiej strony zwapnieniom towarzyszy miejscowe pogrubienie ściany tętniaka [32] co przekłada się na zwiększoną ilość tkanki elastycznej, a w rezultacie na większą stabilność naczynia [52].
Diagnostyka tętniaka aorty brzusznej ma charakter obrazowy i wykorzystuje takie metody jak ultrasonografia, tomografia komputerowa oraz rezonans magnetyczny.
Zróżnicowanie własności mechanicznych w powyższych składowych tętniaka powoduje, iż są one nieuchwytne w jednej tylko metodzie diagnostycznej. Ponadto, korzystanie z tych narzędzi wiąże się z pewnymi obostrzeniami w kontekście możliwych efektów ubocznych, jak i wierności prezentowanych wyników. Krótka charakterystyka stosowanych metod radiologicznych oraz ich zastosowanie zostaną przedstawione w następnym rozdziale.
2.2. Techniki obrazowania medycznego
Spośród wszystkich metod obrazowania medycznego, diagnostyka tętniaka aorty brzusznej korzysta przede wszystkim z ultrasonografii (we wczesnym etapie rozpoznania) oraz tomografii komputerowej (w fazie planowania zabiegu chirurgicznego). Pozostałe narzędzia, jak klasyczna rentgenografia, są nieprzydatne lub, jak w przypadku rezonansu magnetycznego, niewystarczająco popularne, by stanowić podstawę systemu oceny zaawansowania choroby. Poniżej przybliżono zakres stosowalności ultrasonografii oraz tomografii komputerowej jako typowych sposobów diagnostycznych, a także unikalne możliwości oferowane przez rezonans magnetyczny.
2.2.1. Ultrasonografia
Ultrasonografia (USG) jest nieinwazyjną metodą obrazowania struktur wewnętrznych
człowieka. Ze względu na powszechne stosowanie tego urządzenia w gabinetach
lekarzy pierwszego kontaktu badanie to stanowi podstawę, a zarazem początek
diagnostyki tętniaka aorty brzusznej. Zasada działania USG polega na wysyłaniu i
odbieraniu odbitej fali dźwiękowej o zadanej częstotliwości z zakresu 1-20MHz. Obraz
tworzony jest na podstawie pomiaru osłabienia wiązki ultradźwięków odbitej od
24 obiektów o różnych impedancjach akustycznych. Mimo niskiego kosztu urządzenia, łatwości jego obsługi i stosunkowo dobrych jakościowo wyników badania, USG nie jest stosowane jako źródło informacji dotyczących geometrii tętniaka. Wynika to z faktu, iż budowa aparatu pozwala na dowolne ruchy jego głowicą, a co za tym idzie, akwizycja serii obrazów w tej samej płaszczyźnie przekroju jest niemożliwa do uzyskania.
Konsekwencją tego jest niemożność automatycznego utworzenia trójwymiarowego modelu naczynia na podstawie zgromadzonych przekrojów. Prowadzone są badania nad modyfikacją systemu ultrasonograficznego tak, by realne stało się pozyskanie danych obrazowych pozwalających ich dalsze przetwarzanie w celu uzyskania trójwymiarowych modeli komputerowych [53]. USG w swoim klasycznym kształcie znajduje zastosowanie przede wszystkim w monitorowaniu prędkości rozrostu tętniaka [54] i kontroli pooperacyjnej w kierunku ewentualnych przecieków i przemieszczeń stent-graftu [55][56]. Natomiast badanie USG dopplerowskie pozwala na wykonanie pomiarów przepływu krwi i jest wykorzystywane w pracach naukowych zajmujących się numeryczną dynamiką płynów [57][58].
Rysunek 4. Pomiar przepływu krwi w badaniu USG-dopplerowskim [59].
2.2.2. Tomografia komputerowa
Tomografia komputerowa (KT, ang. Computed tomography, CT) jest techniką
obrazowania medycznego, rutynowo wykonywaną pacjentom z rozpoznaniem tętniaka
aorty brzusznej przed operacją naprawczą naczynia. Badanie to wiernie odwzorowuje
25 kształt i rozmiar aorty, co jest wysoce użyteczne przy planowaniu zabiegu chirurgicznego. Należy zaznaczyć, iż niskoczęstotliwościowe badanie USG może wprowadzać zniekształcenia geometryczne, a zatem pomiar średnicy naczynia może się różnić od rzeczywistego rozmiaru aż o 4 mm [60]. Taka niedokładność oceny tętniaka w obrazowaniu ultrasonograficznym uzasadnia stosowanie bardziej wiarygodnej metody tomograficznej, mimo że jest to związane z ekspozycją pacjenta na promieniowanie Roentgena. Tomografia komputerowa zakłada, iż gęstość analizowanej tkanki można obliczyć na podstawie współczynnika pochłaniania promieniowania X przechodzącego przez tę tkankę. TK składa się z lampy rentgenowskiej i detektora promieniowania Roentgena, pomiędzy którymi umieszczany jest badany obiekt. Detektor mierzy stopień tłumienia przez tkanki promieniowania jonizującego, a nie jak w przypadku tradycyjnej rentgenografii, tworzy obraz. Układ lampa-detektor porusza się ruchem spiralnym dookoła obiektu, wykonując jednocześnie jego prześwietlenie pod różnymi kątami. Ostatecznie obraz danego przekroju jest konstruowany na podstawie wielu projekcji w zadanej płaszczyźnie, co umożliwia uchwycenie głębi i przestrzenną prezentację wyników.
Szczegółowe informacje na temat metod rekonstrukcji obrazu znajdują się w literaturze [61][62]. Historia tomografii komputerowej sięga lat siedemdziesiątych XX wieku i jest ściśle związana z rozwojem mocy obliczeniowej komputerów [63]. W pierwszym KT zastosowano tylko jeden detektor promieniowania X, współczesne urządzenia są wyposażone w setki rzędów takich detektorów, co znacząco skraca czas badania a co za tym idzie zmniejsza szanse na powstanie artefaktów w wyniku chociażby oddychania przez pacjenta [64]. Ewolucji uległ także kształt wiązki promieniowania uzależniony od budowy i ustawień kolimatorów. Początkowo fale rentgenowskie ułożone były równolegle, natomiast już od drugiej generacji KT wiązka ma kształt wachlarza. Najnowsze rozwiązanie wykorzystuje promieniowanie w kształcie stożka, jednak stosowanie tych urządzeń jest ograniczone, gdyż jakość otrzymywanych obrazów spada wskutek rozproszenia wiązki oraz czas akwizycji i przetwarzania danych wzrasta w porównaniu z tomografami o wiązkach płaskich [65].
KT dysponuje możliwością ustawiania grubości warstwy przekroju, z jakiej dane
obrazowe są zbierane. Im grubość ta większa tym czas badania i dawka
promieniowania ulegają zmniejszeniu. Niestety jakość otrzymanego obrazu również
26 znacząco się obniża. W przebiegu tętniaka aorty brzusznej często współistnieją zmiany patologiczne w obrębie mniejszych naczyń krwionośnych takich jak tętnice nerkowe.
Dla właściwego egzaminowania wszystkich struktur potencjalnie zmienionych chorobowo stosuje się grubości warstwy z zakresu 0,5-0,625mm [66][67]. Przy takiej gęstości przekrojów uzyskiwane obrazy są wyraźne, a granice prezentowanych obiektów są ostre. Surowe wartości funkcji obrazowej dla każdego pixela zrekonstruowanego obrazu są wyrażane w jednostkach Hounsfielda (ang. Houndsfield Units) w celu poprawy percepcji wyniku badania [68]:
(1) gdzie μ
X- współczynnik pochłaniania promieniowania X przez badany obiekt,
μ
woda, μ
powietrze- współczynniki pochłaniania promieniowania X, odpowiednio, przez wodę i powietrze.
Akwizycja danych geometrycznych dotyczących tętniaka aorty brzusznej za pomocą tomografu komputerowego wiąże się z podaniem pacjentowi środków cieniujących.
Metoda ta, zwana angiografią CT (AngioCT, ACT) jest dedykowana badaniu naczyń
krwionośnych ze względu na mniejsze ryzyko powikłań w porównaniu z tradycyjną
angiografią. Substancja kontrastująca zawiera związki jodu, które podnoszą
współczynnik pochłaniania promieniowania jonizującego przez krew [69], przez co
światło naczynia można odróżnić od ściany aorty. Przy badaniu KT z kontrastem
podaje się jednorazowo ok. 45 g jodu, co stanowi 4500 razy większą dawkę niż średnia
zawartość tego pierwiastka w organizmie [70]. Tak duża ilość jodu może mieć
negatywne konsekwencje w postaci alergii, wyindukowanej nadczynności tarczycy czy
nefropatii [71][72][73]. Dodatkowo, ekspozycja na promieniowanie X zwiększa ryzyko
kancerogenezy, dlatego też stworzone zostały limity dawki promieniowania
przypadającej na dany fragment ciała w ciągu roku [74]. Należy tu zaznaczyć, iż
pochłaniana przez tkanki energia jest wielokrotnie większa przy badaniu KT niż w
tradycyjnej rentgenografii. Powyższe uwagi uzasadniają ostrożne i racjonalne
wykorzystywanie omawianej metody radiologicznej. Niemniej jakość obrazowania oraz
dostępność urządzenia powodują, iż jest to badanie standardowo wykonywane w
diagnostyce tętniaka aorty brzusznej.
27
Rysunek 5. Przykład obrazowania tętniaka aorty brzusznej za pomocą AngioCT
2.2.3. Rezonans magnetyczny
Rezonans Magnetyczny (RM, ang. Magnetic Resonance Imaging, MRI, ang. Nuclear
Magnetic Resonance, NMR) jest metodą radiologiczną, która nie jest elementem
typowego postępowania diagnostycznego tętniaka aorty brzusznej. Wynika to z
wysokiego kosztu urządzenia a w związku z tym niskiej jego dostępności. Zasada
działania MRI opiera się na wykorzystaniu silnego pola magnetycznego oraz fal
radiowych. Stałe pole magnetyczne, rzędu 1,5-3.0T, powoduje polaryzację protonów o
niezerowym spinie wzdłuż linii pola. Impulsy fali radiowej odchylają kierunek
momentów magnetycznych poszczególnych cząstek. Następnie, pobudzone protony
powracają do swojego położenia równowagi, wypromieniowując energię, która
rejestrowana jest przez cewkę odbiorczą. Czas powrotu jąder wodoru do pierwotnego
ułożenia nazwany jest relaksacją, która składa się z dwóch niezależnych
komponentów: relaksacji wzdłużnej (T1) i poprzecznej (T2). Relaksacja wzdłużna
związana jest z ponownym ustawieniem się wektorów momentów magnetycznych
zgodnie z działającym polem magnetycznym, natomiast relaksacja poprzeczna dotyczy
rozproszenia kierunku oscylacji tych wektorów w płaszczyźnie poprzecznej poniżej
37% ich ułożenia w trakcie działania impulsu radiowego. Zarówno T1 jaki i T2 są
uzależnione od typu obrazowanej tkanki, a ich wartości są podstawą przypisywania
poziomów szarości badanym obszarom. Obrazy powstające przy pomiarze czasów
relaksacji podłużnej nazywa się T1-zależnymi, analogicznie, ustalanie czasów relaksacji
poprzecznej prowadzi do generowania obrazów T2-zależnych. Im krótszy czas T1 tym
28 rejestrowany obszar jest jaśniejszy, natomiast w przypadku relaksacji poprzecznej jasnym regionom odpowiada długi czas T2 [75][76]. Rysunek 6 przedstawia typowe badanie MRI mózgu w omawianych trybach. Istota biała charakteryzuje się krótkimi czasami relaksacji, cechą płynu mózgowo rdzeniowego są duże wartości T1 i T2, natomiast istota szara posiada wartości pośrednie.
Rysunek 6. Obraz T1-zależny (po lewej) i obraz T2-zależny (po prawej) mózgu w trakcie leczenia jego podostrego stwardniającego zapalenia [77].
Zadaniem cewek gradientowych jest taka modyfikacja zewnętrznego pola magnetycznego, by możliwe stało się precyzyjne lokalizowanie obszarów znajdujących się na różnych głębokościach w ciele ludzkim. Związane jest to z tym, iż częstość wypromieniowywanej przez protony fali jest uzależniona od wartości parametrów pola magnetycznego, w którym się one znajdują. Proces przetwarzania odbieranej fali radiowej na dane obrazowe jest szczegółowo opisany w literaturze [78]. MRI nie wykorzystuje promieniowania jonizującego, co w kontekście bezpieczeństwa użytkowania jest znaczącą przewagą tego badania nad tomografią komputerową.
Ponieważ brak jest jednoznacznych dowodów na ewentualną szkodliwość silnego pola
magnetycznego, przyjmuje się iż obrazowanie rezonansem magnetycznym można
wykonywać tak często, jak wynika to z przesłanek medycznych [79][80]. Inną zaletą
29 MRI jest znacznie lepsze różnicowanie tkanek miękkich niż w przypadku KT, gdyż obrazowanie rezonansem związane jest z zawartością wodoru w tkance, a nie z jej gęstością. Możliwa jest także dokładniejsza wizualizacja obszarów otoczonych kością jak mózg lub wnętrze klatki piersiowej, gdyż spoista tkanka kostna nie stanowi bariery dla pola magnetycznego, natomiast w znacznym stopniu tłumi promieniowanie X emitowane przez KT. Należy tu jednak zaznaczyć, iż same struktury mineralne, ze względu na swą budowę chemiczną są niedostatecznie widoczne na zdjęciach MRI.
Ponieważ obrazowanie MRI pozwala na rozróżnienie tkanek miękkich, stosowanie dodatkowych środków cieniujących nie jest konieczne. Niemniej w specjalistycznej diagnostyce na przykład układu krwionośnego podanie kontrastu może wprowadzać nową jakość do wyników badania. Związki te są substancjami zawierającymi jony niektórych metali jak gadolin [81]. W porównaniu z jodowymi kontrastami przeznaczonymi do wspomagania KT ta grupa środków cieniujących nie powoduje tak częstych efektów ubocznych [59]. Dodatkową zaletą MRI jest możliwość uchwycenia wnętrza ciała ludzkiego w dowolnej fazie cyklu serca. Może to mieć szczególne znaczenie w komputerowo wspomaganej diagnostyce tętniaka aorty brzusznej, gdyż eliminuje to wpływ tętnienia na ekstrahowaną geometrię naczynia. Wprawdzie rezonans magnetyczny wydaje się optymalną formą bezinwazyjnego egzaminowania wnętrza ciała ludzkiego, jednakże metoda ta nie jest pozbawiona pewnych ograniczeń.
Podstawowym przeciwwskazaniem do wykonania badania rezonansem jest obecność ferromagnetycznych lub przewodzących ciał obcych w organizmie pacjenta takich jak implant ślimakowy, rozrusznik serca czy protezy chirurgiczne. Obiekty te ulegają znacznemu przegrzaniu i przemieszczeniu pod wpływem działania pola magnetycznego [82]. Znane są przypadki śmierci pacjenta wskutek oddziaływania pola magnetycznego na zaciski stentów naczyniowych [83] lub od uderzenia przedmiotem metalowym znajdującym się w pomieszczeniu egzaminacyjnym [84]. By uniknąć tak poważnych konsekwencji wytyczne dotyczące procedury badania i wyposażenia pomieszczenia z rezonansem zostały stworzone m.in. przez Unię Europejską [85].
Istnieje protokół badania rezonansem przeznaczony do egzaminowania układu
krwionośnego. Angiografia rezonansu magnetycznego (ang. Magnetic Resonance
Angiograpfy, MRAngio, MRA) jest odpowiednikiem tradycyjnej angiografii czy
AngioCT. Dostępne są dwie techniki obrazowania naczyń tętniczych i żylnych: MRA
30 wspomagana kontrastem oraz MRA bazujące na przepływie płynu. Pierwsze podejście zakłada podanie gadolinowego środka cieniującego, który zmniejsza czas relaksacji podłużnej, co przekłada się na jaśniejsze wizualizowanie światła naczynia. Metoda ta wykorzystuje zatem obrazowanie T1-zależne. Bezkontrastowa angiografia rezonansowa opiera się na tym, iż poruszające się cząstki wypromieniowują więcej energii niż te stacjonarne. Metoda ta zwana angiografią czasu przepływu (ang. Time of flight MRA, TOF-MRA) nie daje dobrych rezultatów w przypadku refluksu naczyniowego, spowolnionego przepływu krwi lub kiedy oś długa naczynia leży w płaszczyźnie obrazowania. Angiografia kontrastu fazy (ang. phase-contrast MRA, PC-MRA) również należy do bezkontrastowych metod obrazowania, ale znajduje głównie zastosowanie w badaniu żył. Zasadniczą ideą tej metody jest wychwytywanie zmian fazy spinów protonów w efekcie zastosowania dodatkowych gradientowych pół magnetycznych.
Zaletą tej metody jest możliwość wyznaczenia prędkości przepływającej krwi.
Powyższe techniki MRA prowadzą do wzmocnienia różnic w poziomach szarości dla krwi i ściany naczynia, co wspomaga wiarygodną diagnostykę chorób układu naczyniowego [86].
Rysunek 7. Przykład obrazowania tętniaka aorty brzusznej za pomocą MRA
